Di piccolissime bolle può dipendere un aumento del 50% o più nel consumo di elettricità per produrre idrogeno verde.

L’idrogeno verde presenta un problema significativo: per produrlo sono necessarie grandi quantità di elettricità, il che aumenta i suoi costi e rende difficile la sua concorrenza con altre alternative energetiche. Per questo motivo, qualsiasi progresso che consenta di ridurre il consumo elettrico degli elettrolizzatori risulta particolarmente importante per il futuro di questa tecnologia.

Ora, un team di ricercatori dell’Università di Cornell negli Stati Uniti e della City University di Hong Kong ha individuato una delle cause di queste perdite energetiche. La cosa interessante è che il problema risiede in qualcosa di così piccolo come le bolle che si formano durante il processo di elettrolisi dell’acqua.

Gli scienziati hanno sviluppato un modello informatico tridimensionale che permette di studiare come queste bolle influenzano il funzionamento degli elettrolizzatori. I risultati mostrano che, raggiunto un certo dimensione, possono causare aumenti superiori al 50% nella tensione elettrica necessaria per mantenere la reazione, aprendo la strada a importanti miglioramenti nella progettazione di questi dispositivi.

Il problema delle bolle nella produzione di idrogeno verde

Per produrre idrogeno verde si utilizza elettricità proveniente da fonti rinnovabili, come quella solare o eolica, per separare l’acqua in idrogeno e ossigeno. Questo processo, noto come elettrolisi, avviene tramite dispositivi chiamati elettrolizzatori.

Durante il loro funzionamento, i gas generati formano piccole bolle sulla superficie degli elettrodi. Queste bolle crescono fino a staccarsi e salire attraverso il liquido, ma mentre rimangono attaccate possono ostacolare il contatto dell’acqua con le zone in cui avvengono le reazioni chimiche.

Questo provoca il blocco di parte della superficie attiva e un aumento della resistenza al passaggio della corrente. Di conseguenza, l’elettrolizzatore deve applicare una tensione maggiore per produrre la stessa quantità di idrogeno, aumentando così il consumo elettrico del processo.

Fino ad ora, i ricercatori avevano cercato di ridurre questo problema modificando la forma degli elettrodi, i loro materiali e la circolazione dell’acqua. Tuttavia, risultava complicato calcolare con precisione quanto ogni bolla influenzasse l’efficienza energetica.

Una scoperta che può ridurre notevolmente il consumo elettrico

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato un modello matematico tridimensionale che riproduce il comportamento delle bolle sugli elettrodi. Questo strumento permette di analizzare i processi a livello microscopico e di calcolare come essi influenzano le esigenze elettriche del sistema.

I risultati hanno permesso di identificare una dimensione critica della bolla a partire dalla quale le perdite aumentano rapidamente. Quando le bolle rimangono al di sotto di tale soglia, l’aumento aggiuntivo di tensione può essere contenuto entro il 3%.

Tuttavia, quando superano quella dimensione, le esigenze di tensione aumentano in modo esponenziale. In determinate condizioni, i ricercatori hanno osservato che una singola bolla poteva causare un aumento superiore al 50% rispetto alla tensione necessaria in assenza di bolle.

La soluzione sta nel far sì che le bolle si stacchino dagli elettrodi prima di raggiungere quella dimensione critica. A tal fine, gli scienziati propongono lo sviluppo di nuove geometrie e superfici che facilitino la loro eliminazione, riducendo le perdite energetiche durante la produzione di idrogeno.

Un modello 1.000 volte più veloce per sviluppare elettrolizzatori efficienti

Un altro aspetto particolarmente interessante di questa ricerca è lo strumento informatico utilizzato. Gli scienziati sono riusciti a sviluppare un sistema che funge da gemello digitale di un elettrolizzatore, riproducendo i suoi materiali, la sua geometria e le condizioni di funzionamento.

Grazie a questo modello, è possibile studiare il comportamento delle bolle e testare diversi design senza dover produrre fisicamente ogni prototipo. Inoltre, sono riusciti a ridurre l’impegno computazionale di circa 1.000 volte, mantenendo la precisione dei calcoli.

Il passo successivo sarà ampliare le simulazioni per analizzare come interagiscono più bolle, come crescono e come si uniscono tra loro. Vogliono anche combinare questa tecnologia con strumenti di ottimizzazione e stampa 3D per sviluppare elettrodi che facilitino l’uscita dei gas.

Un importante progresso per ridurre il costo dell’idrogeno verde

L’importanza di questa scoperta è direttamente legata al costo di produzione. Attualmente, ottenere un chilogrammo di idrogeno tramite elettrolisi richiede solitamente tra 50 e 60 kWh di elettricità, a seconda della tecnologia utilizzata.

Questo significa che, con un prezzo dell’elettricità di 50 euro/MWh, solo l’elettricità rappresenta un costo compreso tra 2,50 e 3 euro per chilogrammo di idrogeno prodotto. A questa cifra bisogna aggiungere l’investimento negli elettrolizzatori, la loro manutenzione e gli altri costi operativi.

Pertanto, migliorare l’efficienza energetica può avere un impatto considerevole sulla competitività di questa tecnologia, soprattutto nelle grandi imprese industriali che producono migliaia di tonnellate di idrogeno all’anno.

Il progresso realizzato da Cornell apre una nuova strada per raggiungere questo obiettivo. Invece di concentrarsi esclusivamente su nuovi materiali o tecnologie di elettrolisi, i ricercatori hanno dimostrato che ottimizzare la formazione e l’evacuazione delle bolle può essere fondamentale per ridurre il consumo di elettricità.

Un miglioramento che potrebbe contribuire a rendere l’idrogeno verde più competitivo in settori come la siderurgia, l’industria chimica o la produzione di fertilizzanti, dove sostituire l’idrogeno ottenuto da combustibili fossili rappresenta uno dei grandi ostacoli alla decarbonizzazione.

Fonte | Pubs.rsc